способ получения фталонитрила

Формула изобретения

Способ получения фталонитрила, включающий взаимодействие фталевого ангидрида с аммиаком в присутствии кислорода или его смеси с инертным газом в стационарном слое катализатора, отличающийся тем, что процесс синтеза фталонитрила осуществляют путем подачи в горячую фталовоздушную смесь предварительно нагретого аммиака, пропусканием смеси над стационарным слоем катализатора - Аl₂О₃ при температуре 310-350^oС, с концентрацией фталевого ангидрида не более 90 об.%, кислорода не более 5,6 об.% и аммиака не более 10 об. %, конденсацией фталонитрила, утилизацией отходящих аммиаксодержащих газов абсорбцией промстоками производства фталевого ангидрида и обезвреживанием глубоким термическим окислением.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области органической химии, в частности к способу производства ароматических нитрилов, а именно фталонитрила, используемого в качестве промежуточного продукта при синтезе пигментов и красителей, красок, лаков, стабилизирующих агентов и других материалов.

Известен способ получения фталонитрила путем каталитической реакции аммиака со сложной смесью, включающей фталевый ангидрид, фталимид, моноамид фталевой кислоты и фталевый диамид, с последующим выделением готового продукта взаимодействием реакционной массы с распыленной водой при температуре 1-3^oС при одновременном поглощении побочных продуктов реакции водным аммиачным раствором [Патент США N 2232836, опубл. 25.02.1941]. Для практической реализации в производстве все эти виды сырья являются дорогостоящими и дефицитными продуктами, производство их ограничено, кроме того, проблематично подобрать смесь такого состава.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ производства фталонитрила каталитическим окислением нафталина кислородсодержащим газом и аммиаком при температуре 300-600^oС при мольном отношении нафталин : NH₃ : О₂, равном 1:(4-20):(9-40), в качестве катализатора используют оксид ванадия на слое гранулированного оксида алюминия [Патент США N 2816908, опубл. 17.12.1957].

Недостатком процесса по прототипу является его взрывоопасность. Известно, что смесь нафталина и воздуха имеет нижний предел взрываемости - 45 г/м³ и верхний - 320 г/м³, то есть безопасное ведение процесса возможно при концентрации нафталина в нафталино-воздушной смеси ниже 45 г/м³ или выше 320 г/м³ [Гуревич А.Д. Фталевый ангидрид. М.: Химия, 1961]. В данном патенте 5 г подается на 50 л воздуха, т.е. 100 г нафталина на 1 м³ воздуха или 70 г нафталина на 1 м³ воздушно-аммиачной смеси. Все это в пределах взрываемости. Таким образом реально этот процесс в производстве осуществить не представляется возможным.

В патенте совершенно не предлагается никаких технических решений по обезвреживанию отходящих газов синтеза от аммиака, расход которого значителен до 40 молей на моль нафталина.

Кроме того, нафталин содержит примеси тионафтена, фенолов, метилнафталина, индена, индола, бензонитрила, которые более реакционноспособны, чем нафталин, и взаимодействуя с аммиаком, дают все возможные нитросоединения, загрязняющие фталонитрил.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение, удешевление, оптимизация технологии синтеза фталонитрила с точки зрения промышленной и экологической безопасности с целью практической реализации технологии в промышленных условиях.

Поставленная задача достигается тем, что процесс синтеза фталонитрила осуществляется путем подачи в горячую фталовоздушную смесь предварительно нагретого аммиака, пропусканием смеси над стационарным слоем катализатора -Al₂O₃ при температуре 310-350^oС, с концентрацией фталевого ангидрида не более 90 об. %, кислорода не более 5,6 об.% и аммиака не более 10,0 об.%, конденсацией фталонитрила, утилизацией отходящих аммиаксодержащих газов абсорбцией промстоками производства фталевого ангидрида и обезвреживанием глубоким термическим окислением.

Таким образом, предлагается совместить два процесса: процесс синтеза фталевого ангидрида из нафталина и синтеза фталонитрила из фталевого ангидрида. На первом этапе окислять нафталин во фталевый ангидрид, а после контактного аппарата в нагретую фталовоздушную смесь с температурой 310-320^oС подавать нагретый аммиак или смесь аммиака с инертным газом. Возможен частичный или полный отвод фталовоздушной смеси на производство фталонитрила. Возможно единовременное производство фталевого ангидрида и фталонитрила в одном цехе.

Границы безопасного ведения процесса рассчитывали по концентрационным пределам распространения пламени газовой смеси - фталевый ангидрид, аммиак и воздух в условиях производства фталонитрила, согласно формуле [ГОСТ 12.1.044-89 "Пожаро-взрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методов их определений"]:



где _к - концентрация "К"-го горючего компонента смеси, об.%;

_пк - нижний или верхний предел для бинарной смеси "К"-го горючего компонента с воздухом, об.%;

n - число горючих компонентов смеси.

Расчеты нижнего и верхнего концентрационных пределов производили в следующей последовательности:

- определение НКПР и ВКПР для парогазовой горючей смеси фталевого ангидрида - аммиак, содержащей каждого из компонентов в диапазоне 0-100 об.% (табл.1, 2):

- построение графической зависимости НКПР и ВКПР от состава смеси фталевый ангидрид - аммиак (фиг. 1);

- определение НКПР и ВКПР газовой смеси фталевый ангидрид - аммиак - воздух в интервале 350-450^oС, т.е. в условиях производства фталонитрила.

Согласно формуле (1) находили НКПР для каждой пары составов смеси паров фталевого ангидрида и аммиака (табл. 1) и строили зависимость НКПР (фиг. 1).

По формуле (1) находили ВКПР для каждой пары смеси паров фталевого ангидрида и аммиака (табл. 2) и строили зависимость ВКПР (фиг. 1).

При определении НКПР газовой смеси фталевого ангидрида и аммиака в среде воздуха в интервале температур 350-450^oС приняли, что в результате получены пары фталонитрила, при этом известно, что НКПР аэровзвеси фталонитрила, т.е. конечного продукта, равен 106 г/м³, что составляло 1,855 об.%.

Учитывая, что пары фталонитрила образуются в результате взаимодействия паров фталевого ангидрида и аммиака при температуре 350-450^oС в среде воздуха нашли по фиг. 1 и данным табл. 1 минимальный НКПР смеси фталевый ангидрид-аммиак, равный 1,855 об.%, что соответствовало предельной концентрация фталевого ангидрида 90 об.% и аммиака 10 об.%.

Область концентрационных пределов распространения пламени для газовой смеси фталевого ангидрида, аммиака в воздухе при начальной температуре 25^oС ограничена кривыми НКПР и ВКПР в зависимости от состава смеси.

Концентрационные пределы распространения пламени газовой смеси фталевого ангидрида, аммиака в среде воздуха и в интервале температур 350-450^oС соответственно равны: для НКПР 1,86 об.% и для ВКПР 11,1 об.%.

Процесс взаимодействия фталевого ангидрида с аммиаком в среде воздуха и в интервале температур 350-450^oС для получения фталонитрила следует проводить в условиях соблюдения температуры не выше 70-80% температуры самовоспламенения аэровзвеси фталонитрила 440^oС и рабочего содержания кислорода не более 50% от МВСК 11,1%: т.е. температура должна быть не выше 350^oС, а содержание кислорода не более 5,6 об.%.

Технический результат, достигаемый с помощью предложенного способа, заключается в следующем:

- упрощается технология производства фталонитрила;

- снижается себестоимость производства фталонитрила;

- получается продукт с приемлемым для промышленной реализации выходом;

- снижаются капитальные затраты на узел испарения фталевого ангидрида, очистку отходящих газов;

- возможна унификация оборудования: конденсаторы намораживания используются как для конденсации фталевого ангидрида, так и фталонитрила; установка сжигания промстоков одна на 2 процесса;

- создается отраслевой рециклинг утилизации отходов, практически безотходная технология;

- взрывобезопасность технологии процесса синтеза фталонитрила;

- мобильность, технологичность процессов, обеспечивающих конъюнктуру рынка.

Совокупность существенных признаков при решении задачи производства фталонитрила из фталевого ангидрида непосредственно на базе фталовоздушой смеси, безопасные режимы ведения процесса, абсорбция аммиака из отходящих газов производства фталонитрила и утилизация отходов с промстоками производства фталевого позволяют упростить, удешевить, сделать производство фталонитрила малооперационным, экологически чистым и взрывобезопасным. Это позволяет говорить о существенном отличии предложенного изобретения и удовлетворяющего его этому критерию.

Совокупность признаков заявленного способа не была выявлена в других технических решениях при изучении данной области и обеспечивает заявленному решению соответствие его критерию "изобретательский уровень".

Пример. Способ получения фталонитрила осуществляли на проточной пилотной установке, принципиальная схема которой представлена на фиг. 2, следующим образом: часть фталовоздушной смеси с температурой 310-320^oС, содержанием фталевого ангидрида 2,5 об. %, кислорода 5,6 об.%, полученной окислением нафталина кислородом воздуха на катализаторе в контактном аппарате (2), отбирали перед холодильником (3), направляли на смешение с аммиаком, поступающим из баллона (4) предварительно нагретым до температуры 320^oС, подавали в реактор (5) с объемной скоростью 0,14 ч^-1, где на стационарном слое катализатора - -Аl₂О₃ происходило образование фталонитрила при температуре 340^oС. Реакционные газы направляли в конденсатор (8) для конденсации и выделения твердого фталонитрила при нормальных условиях, отходящие аммиаксодержащие орошали в абсорбере (7) промстоками фталевого производства,. содержащие фталевую, малеиновую кислоты, 1,4-нафтохинон, имеющие общую кислотность до 25 г/дм³, которые после абсорбера утилизировали глубоким термическим окислением (11).

Примеры, иллюстрирующие способ получения фталонитрила, приведены в табл. 3.

Предложен экологически безопасный способ получения фталонитрила, позволяющий исключить отделение испарения фталевого ангидрида, участок по очистке отходящих газов, осуществлять синтез в взрывобезопасных технологических режимах, что существенно снижает капитальные затраты на строительство, уменьшает энергоемкость процесса, упрощает технологию.